深部開采復(fù)合頂板巷道圍巖支護(hù)技術(shù)研究

摘要：為研究深部開采復(fù)合頂板巷道圍巖支護(hù)技術(shù)，以火燒鋪礦260303軌道巷為工程背景，分析復(fù)合頂板巷道破壞原因，提出深部開采復(fù)合頂板巷道圍巖支護(hù)技術(shù)方案。結(jié)果表明：通過優(yōu)化斷面形式聯(lián)合錨索-長短錨桿耦合支護(hù)的多級圍巖支護(hù)方案，可提高巷道斷面承載強(qiáng)度及錨桿索的聯(lián)合支護(hù)作用，現(xiàn)場監(jiān)測頂板下沉量僅為48 mm，兩幫移近量穩(wěn)定為34 mm，表明圍巖控制效果較好，能夠保證工作面安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：深部開采；復(fù)合頂板；巷道圍巖；支護(hù)技術(shù)；聯(lián)合支護(hù)

中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.022

Research on Perimeter Rock Support Technology of Composite Roof Slab Roadway in Deep Mining

YANG Erlei

（Huoshaopu Mine， Guizhou Panjiang Refined Coal Company Limited， Liupanshui 553539， China）

Abstract： In order to study the perimeter rock support technology of deep mining composite roof roadway， taking the 260303 track roadway in Huoshaopu Mine as the engineering background， analyzing the reasons for the damage of composite roof roadway， and proposing the perimeter rock support technology scheme of deep mining composite roof roadway. The results show that： by optimizing the section form of joint anchor cable - long and short anchor coupling support multi-stage perimeter rock support program， can improve the section bearing strength and the joint support of anchor cable， field monitoring of the roof sinking amount is only 48 mm， the two gangs move in the amount of 34 mm， indicating that the effect of perimeter rock control is better， and can ensure the safety of the working face production.

Keywords： deep mining; composite roof plate; roadway perimeter rock; support technology; joint support

煤層受形成環(huán)境影響，深部煤層巖石特性與應(yīng)力環(huán)境較淺部有較大差別，特別是在地質(zhì)條件更為復(fù)雜的深部區(qū)域，多存在復(fù)雜的復(fù)合頂板。頂板的各巖層之間巖性差異較大，受采動(dòng)影響，其間連接關(guān)系變?nèi)酰瑯O易發(fā)生不協(xié)調(diào)變形，產(chǎn)生明顯離層甚至冒頂?shù)茸冃螢?zāi)害[1]。針對復(fù)合頂板的支護(hù)問題，專家學(xué)者進(jìn)行大量研究，提出采用“全斷面短錨索+鋼筋梁”、長短錨索耦合注漿、全斷面高預(yù)緊力錨索等多種支護(hù)方式，工程應(yīng)用也取得一定成果。結(jié)合以往研究成果，以火燒鋪礦深部260303軌道巷為研究背景，采用理論分析、現(xiàn)場觀測等手段開展研究，提出一種適用于深部開采復(fù)合頂板巷道的圍巖支護(hù)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)提供了科研指導(dǎo)[2]。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

260303軌道巷井下標(biāo)高為1 574.3～1 501.8 m，平均埋深為488.5 m，工作面走向長為538.8 m，傾向長為148.5 m，煤厚度平均值為2.2 m，傾角為29°。頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，偽頂為0.7 m薄層泥巖，直接頂為4 m粉砂巖，老頂為6 m粗、中砂巖，直接底為泥巖，厚度為1.3 m。巷道掘進(jìn)揭露交叉小斷層F2、F3，巷道平面布置如圖1所示。

1.2 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)

260303軌道巷斷面寬為5 m、高為3 m，頂板支護(hù)采用12#鋼筋焊接，間排距為1 000 mm×1 000 mm，頂錨桿采用直徑為20 mm、長度為2 000 mm的左旋螺紋高強(qiáng)錨桿，頂網(wǎng)采用1.15 m×1.60 m鋼筋網(wǎng)，扭矩要求不低于280 N·m。兩幫錨桿采用“三、三”布置方式，間排距為1 050 mm×1 000 mm，采用直徑為20 mm、長度為2 000 mm的左旋螺紋高強(qiáng)錨桿，扭矩要求不低于280 N·m，如圖2所示。

2 深部復(fù)合頂板巷道破壞原因分析

巷道的復(fù)合頂板是由多種巖性的巖層通過弱黏結(jié)壓合組成的多層復(fù)合頂板，在開采過程中受采動(dòng)影響，極易破壞復(fù)合頂板的穩(wěn)定狀態(tài)。通過現(xiàn)場調(diào)查，260303軌道巷發(fā)生變形破壞的主要原因如下。

一是巷道圍巖巖石性質(zhì)差，強(qiáng)度較低。260303軌道巷埋深為488.5 m，煤層自身節(jié)理、層理發(fā)育，煤層上方為薄層泥巖、粉砂巖等軟巖頂板，粗砂巖、中粒砂巖等硬質(zhì)頂板夾雜其中，形成多層軟硬互夾的復(fù)合頂板。該類型頂板膠普通頂板整體性剛度不足、協(xié)調(diào)性差，導(dǎo)致復(fù)合頂板整體強(qiáng)度較低[3]。

二是應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，擠壓破壞現(xiàn)象明顯。煤層位于山區(qū)，受造山作用影響，260303軌道巷應(yīng)力環(huán)境較為惡劣。受高應(yīng)力影響，矩形巷道頂板極易發(fā)生下向彎曲，但復(fù)合頂板各層巖性大不相同，在受力過程中變形表現(xiàn)形式差別較大，軟弱巖層受擠壓發(fā)生彎曲變形甚至破碎，硬質(zhì)頂板抗擠壓能力強(qiáng)，不易變形。

三是巷道斷面形狀不適用于復(fù)合頂板。260303軌道巷采用矩形斷面，受開挖影響，巷幫煤體易發(fā)生較明顯的剪切破壞，導(dǎo)致在承壓過程中塑性區(qū)、松動(dòng)圈范圍不斷擴(kuò)大，實(shí)體煤幫對于頂板的支承作用明顯減弱，難以對復(fù)合頂板提供有效的支撐。

四是支護(hù)形式單一，支護(hù)力不足。受巷道斷面限制，原支護(hù)設(shè)計(jì)以高強(qiáng)螺紋鋼錨桿主動(dòng)支護(hù)為主，設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮巷道塑性變形范圍，發(fā)揮錨桿的組合梁作用，但對復(fù)合頂板深度、煤巷強(qiáng)度預(yù)計(jì)不足，支護(hù)形式單一，未有效發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用，使巷道圍巖形成一個(gè)有效承載體，導(dǎo)致最終復(fù)合頂板發(fā)生彎曲下沉和離層破壞，圍巖主動(dòng)支護(hù)控制效果不佳[4]。

3 深部復(fù)合頂板巷道圍巖控制技術(shù)

分析深部復(fù)合頂板巷道的破壞原因，針對260303軌道巷提出了優(yōu)化斷面形式聯(lián)合錨索-長短錨桿耦合支護(hù)的多級圍巖支護(hù)方案。

一方面，考慮采礦地質(zhì)環(huán)境、煤巖物理力學(xué)性質(zhì)、圍巖完整性等因素，將原設(shè)計(jì)矩形巷道優(yōu)化為半圓拱形巷道，以期改變巷道形狀，提高巷道斷面承載強(qiáng)度。優(yōu)化為半圓形巷道后，改善了直壁巷幫受采動(dòng)影響易發(fā)生較明顯的剪切破壞的情況。取消受力不均的上隅角區(qū)域，將頂板由板狀改為半圓形，進(jìn)一步增加巷道的穩(wěn)定性。

另一方面，針對復(fù)合頂板整體性剛度不足、協(xié)調(diào)性差的問題，提出了錨索-長錨桿耦合支護(hù)加固的頂板支護(hù)方案。利用錨索的懸吊與擠壓加固作用，將復(fù)合頂板與長距離的堅(jiān)固覆巖結(jié)合起來，形成較為有效的壓縮應(yīng)力拱，同時(shí)利用長錨索的擠壓加固與組合梁作用，形成巷道頂板壓縮梁，加強(qiáng)復(fù)合頂板各巖層間黏結(jié)力，提高協(xié)調(diào)性，進(jìn)一步加強(qiáng)巖梁剛度。兩幫錨桿同樣采用“三、三”布置方式，但幫肩錨桿、幫腳錨桿與幫腰錨桿成一定夾角分布，充分發(fā)揮短錨桿的擠壓加固作用[5]。

支護(hù)方案為頂錨桿采用直徑為20 mm，長度為2 500 mm左旋螺紋高強(qiáng)錨桿，間排距為1 600 mm×1 000 mm，頂網(wǎng)采用1.15 m×1.60 m鋼筋網(wǎng)，扭矩要求不低于280 N·m，垂直頂板巖壁布置。頂錨索均采用直徑為19.8 mm，長度為6 300 mm鋼絞線錨索，間距為1 600 mm，排距為2 000 mm，扭矩要求不低于180 N·m，垂直頂板巖壁布置。幫錨桿“三、三”布置，間排距為800 mm×1 000 mm，采用直徑為20 mm、長度為2 000 mm的左旋螺紋高強(qiáng)錨桿，扭矩要求不低于200 N·m。優(yōu)化斷面形式聯(lián)合錨索-長短錨桿耦合支護(hù)具體布置方案如圖3所示[6]。

4 現(xiàn)場實(shí)施效果觀測

為進(jìn)一步觀測260303軌道巷開展支護(hù)優(yōu)化后的效果，對施工后的巷道頂板和兩幫開展了長期變形監(jiān)測，結(jié)果如圖4所示。通過監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頂板下沉量僅為48 mm，兩幫移近量穩(wěn)定為34 mm。由此表明，使用優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)的巷道圍巖變形控制較好，能夠達(dá)到安全生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

分析260303軌道巷復(fù)合頂板破壞原因，主要包括4點(diǎn)：一是巷道圍巖巖石性質(zhì)差，強(qiáng)度較低；二是應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，擠壓破壞現(xiàn)象明顯；三是巷道斷面形狀不適用于復(fù)合頂板；四是支護(hù)形式單一，支護(hù)力不足等。針對破壞原因，提出使用優(yōu)化斷面形式聯(lián)合錨索-長短錨桿耦合支護(hù)的多級圍巖支護(hù)方案控制260303軌道巷圍巖，通過現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證了該方案的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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